Dương Thanh Lượng Bài giảng môn học Thoát nước Chương 5 5 1 Chương 5 THOÁT NƯỚC MƯA VÀ THOÁT NƯỚC CHUNG (10 tiết 6LT+1BT+2ĐA A THOÁT NƯỚC MƯA V 1 MƯA VÀ SỰ HÌNH THÀNH DÒNG CHẢY I NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ KH[.]
Chương THOÁT NƯỚC MƯA VÀ THOÁT NƯỚC CHUNG (10 tiết: 6LT+1BT+2ĐA A- THOÁT NƯỚC MƯA V-1 MƯA VÀ SỰ HÌNH THÀNH DỊNG CHẢY I NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ KHÍ TƯỢNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA MƯA - Các loại mưa - Đặc điểm mưa Việt Nam - Phương pháp đo mưa II NHỮNG THƠNG SỐ KHÍ TƯỢNG Cường độ mưa Theo lớp nước: I= h , mm/ph t Theo thể tích: q= W , l/s/ha t I - cường độ mưa tính theo lớp nước q - cường độ mưa tính theo thể tích h - Chiều cao lớp nước, mm W - Thể tích nước mưa rơi xuống đv diện tích, l/ha t - thời gian mưa, ph Liên hệ q I: q=166,7 I a Xác định cường độ mưa theo phương pháp phân tích PP tính tốn xác, áp dụng cho tất lưu vực với điều kiện địa hình khác Cơ sở PP dựa vào tài liệu thực đo, nên địi hỏi phải có đầy đủ tài liệu mưa nhiều năm máy đo tự ghi Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-1 Mục đích vẽ đường quan hệ cường độ mưa theo thời gian I~t, q~t ứng với mức tần suất Thời gian t thường lấy 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180 ph Việc chọn số liệu mưa lấy năm trị số lớn nhất, năm lấy vài trị số lớn Nguyên tắc xác định cường độ mưa tính tốn tần suất lượng mưa (hoặc cường độ mưa) phút 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180 phút Có thể lập bảng tính tốn (GT) Ví dụ: Dựa vào tài liệu mưa ph n5 trận mưa, tính tần suất, tra I55% Dựa vào tài liệu mưa 10 ph n10 trận mưa, tính tần suất, tra I105% … Dựa vào tài liệu mưa 180 ph n180 trận mưa, tính tần suất, tra I1805% Có: Tương tự có: I55% , I105% , …, I1805% vẽ đường I5%~t I510% , I1010% , …, I18010% vẽ đường I10%~t I520% , I1020% , …, I18020% vẽ đường I20%~t …… ***** (1) b Xác định cường độ mưa theo phương pháp cường độ giới hạn * Các công thức Liên Xô + Xác định cường độ mưa theo cường độ giới hạn D F Gorbachev (1920) I Δ t 0,5 , mm/ph Δ μ3 P μ 0,046H / q 166,7.Δ t 0,5 A , l/s/ha t 0,5 Tổng quát: q A , l/s/ha tn Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-2 q 166,7 .H / P , l/s/ha t 0,5 (vượt thực tế tới 50%; không nên sd) - Sức mạnh trận mưa - Hệ số khí hậu - Hệ số khí hậu H - Lượng mưa năm trung bình; mm/năm t - Thời gian mưa; ph P - Chu kỳ tràn cống; năm + Công thức Viện Thuỷ văn Liên Xô (1941) q A B lg P t 0,5 (sai với thực tế tới 30 50%; không nên sd) A, B - Các thông số, biến đổi theo khu vực Hoặc công thức: q A tn 20 n q 20 (1 C lg P) tn q20 - Cường độ mưa tính với thời gian 20 phút với P = năm n - Hệ số mũ, tuỳ theo vùng địa lý C - Hệ số có tính đến đặc điểm riêng vùng P - Chu kỳ tràn cống; năm Những nơi q20 đồ, tính theo CT: q20=0,071.H d B H - Lượng mưa năm trung bình; mm/năm dB - Độ hút ẩm bão hồ (tính từ lượng mưa TB tháng độ ẩm TB tháng) dB = d1a d a d12 a 12 a a a 12 a1, a2, , a12 - lượng mưa TB tháng năm; d1, d2, , d12 - độ ẩm TB tháng năm * Xác định cường độ mưa theo công thức Anh, Mỹ, Ba Lan + Công thức Anh Dương Thanh Lượng Bài giảng môn học Thoát nước - Chương 5-3 q= S t c n S - Sức mạnh trận mưa t - Thời gian mưa n - Hệ số mũ, tuỳ theo vùng địa lý c - Hằng số khí hậu + Công thức Mỹ n In=A I 60 , mm/s I60 - Cường độ mưa 60 ph với chu kỳ chọn A, n - Các thông số khí hậu + Cơng thức Reyhonda (Đức) a q=q15 t b Pm 0,369 , l/s/ha q15 - Cường độ mưa 15 ph với chu kỳ tràn cống P=1năm Pm - Tần suất mưa a, b - Các thống số khí hậu + Cơng thức Pomjanovski (Ba Lan) J= a Pm n , mm/h J - Cường độ mưa tính tốn; mm/h Pm - Tần suất mưa; % a - Thơng số khí hậu, phụ thuộc th gian mưa n - Thơng số khí hậu ***** (2) * Xác định cường độ mưa theo công thức Việt Nam + Công thức Viện Thiết kế, Bộ Giao thông q S ( t b) n A B lg N ( t b) n 10 12,5 lg N K ( t 12) 0, 66 Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-4 S - Sức mạnh trận mưa ứng với tần suất P%; mm/h; mm/ph t - Thời gian mưa b - Tham số hiệu chỉnh; b=12 ph n - Chỉ số biểu thị giảm dần cường độ mưa theo thời gian; n=0,66 A, B - Các tham số địa lý A=10,0; B=12,5 N - Độ lặp lại K - Hệ số khí hậu (tuỳ thuộc vùng khí hậu) + Cơng thức Cục Thuỷ văn n q 20 b q 20 (1 C lg P) t b n , l/s/ha + Công thức TS Trần Hữu Uyển q 35 n q 20 (1 C lg P) t 15 n , l/s/ha t, b, n, giải thích P - Chu kỳ tràn cống; năm C - Hệ số tính đến đặc tính riêng vùng q20 - Cường độ mưa tính vời thời gian 20 phút với P=1 năm Các thông số b, C, n, q20 47 trạm quan trắc tham khảo bảng 5-2 Thời gian mưa Là thời gian kéo dài trận mưa (tính h, ph ) Khi tính tốn cường độ mưa PP cường độ giới hạn, người ta cho thời gian mưa thời gian hạt mưa rơi xuống vị trí xa chảy đến m/c xét, gọi th gian mưa tính tốn Đ/v khu vực xây dựng hoàn thiện: t = t0 + tr + Σtc, ph t - thời gian mưa tính tốn; ph t0 - Th gian t/trung dòng chảy (từ điểm xa đến rãnh TN); lấy t0=5 10ph tr - Th gian nước chảy theo rãnh đến giếng thu Σtc - Tổng th gian nước chảy đoạn cống từ giếng thu đến m/c tính tốn (m/c cuối đoạn cống thứ m xét) Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-5 Hình Sơ đồ tính tốn thời gian dịng chảy 1- Khu đất 4- Đoạn cống tính tốn 2- Rãnh đường 5- Giếng thăm 3- Giếng thu 6- Nhánh nối Hoặc viết dạng khác: m tm t0 tr i tm tm tr=1,25 tci tc m tc m Lr vr Lr - Ch dài rãnh; m vr - Tốc độ nước rãnh; m/ph 1,25 - Kể đến tăng dần tốc độ dòng chảy trình mưa tc=r Lc vc Lc - Ch dài đoạn cống tính tốn; m vc - Tốc độ nước cống; m/ph r - Hệ số phụ thuộc vào địa hình; đh phẳng r=2, dốc i>0,02 r=1,2 (Do cống đầy dần, vận tốc tăng dần) Vậy: t t 1,25 Lr vr r Lc vc Trong thực tế, khu vực chưa có quy hoạch rõ ràng thời gian mưa tính theo CT: Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-6 1,5.n 0, L0, Z 0,3 i 0,3 I 0,3 t Trong đó: n - Hệ số nhám bề mặt L - Ch dài dòng chảy, m Z - Hệ số mặt phủ; I - Cường độ mưa i - Độ dốc địa hình ***** (3) Tần suất mưa Pm chu kỳ tràn cống P * Tần suất mưa Pm (%) xác suất lặp lại trận mưa thời gian có cường độ lớn cường độ trận mưa định Pm = m ,% n m - Số lần mưa có cường độ lớn cường độ trận mưa định n - Số năm quan trắc (tổng số số liệu liệu tài liệu) * Chu kỳ mưa P0 thời gian (năm) lặp lại trận mưa có cường độ lớn cường độ trận mưa định P0 , năm Pm * Chu kỳ tràn cống P thời gian (tính năm) lặp lại trận mưa vượt cường độ mưa tính tốn (vượt q sức chuyển tải cống TN) P có ý nghĩa KT-KT to lớn: P q , d , ngập lụt ; P q , d , ngập lụt ; Chọn P cần vào tính chất, quy mơ cơng trình điều kiện địa hình: Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thoát nước - Chương 5-7 Chu kỳ tràn cống P (năm) đ/v khu vực dân cư: Đ/kiện l/việc cống Vị trí đường ống Trên đường phố khu vực Trên đường phố Thuận lợi Trung bình Bất lợi Rất bất lợi 0,25 0,35 0,35 0,5 0,5 1 Chu kỳ tràn cống (năm) P đ/v khu vực XNCN: Hậu tràn cống Quá trình cơng nghệ khơng bị hư hỏng Q trình cơng nghệ bị hư hỏng P (năm) Khu vực đặc biệt quan trọng: P=5 10 năm Hệ số dòng chảy Là tỷ lệ lượng nước chảy cống lượng mưa thực rơi lưu vực cống phụ trách: Qc Qb Qc - Lượng nước chảy cống, l/s Qb - Lượng mưa thực rơi, l/s phụ thuộc t/c mặt phủ, đ/kiện đất đai, độ dốc đ/hình, th/gian cường độ mưa Theo Berlov: =Z.q0,2.t0,1 Z - Hệ số thực nghiệm, phụ thuộc t/c mặt phủ q - Cường độ mưa, l/s/ha t - Thời gian mưa Tra , Z bảng 5.3 Do cống có lưu lượng tối đa cuối đoạn, cịn suốt chiều dài đoạn cống lưu lượng luôn nhỏ lưu lượng tối đa, nên tích mà cống tự điều chỉnh làm giảm lưu lượng Đưa vào hệ số giảm lưu lượng Ke: Ke = (0,4 0,7)n n - Số mũ, chọn 3/4, lúc Ke=0,51 ***** (4) Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thoát nước - Chương 5-8 V-2 THIẾT KẾ HTTN MƯA Các giai đoạn thiết kế - Quy hoạch tổng thể Lập dự án (DATKT, DAKT) Thiết kế kỹ thuật Thiết kế thi cơng Trình tự thiết kế HTTN mưa 1) Thu thập tài liệu 2) Phân chia lưu vực (dựa vào đồ quy hoạch, cao độ thiết kế, địa hình, hướng dốc ) 3) Vạch tuyến MLTN mưa bố trí CT HT 4) Tính tốn thuỷ văn, thuỷ lực cống 5) Thiết kế trắc dọc; thiết kế cơng trình HT 6) Tính tốn khối lượng vật liệu, lập dự toán Thu thập tài liêu - Bản đồ trạng (tự nhiên, kiến trúc, kỹ thuật) Bản đồ quy hoạch kiến trúc giai đoạn Bản đồ quy hoạch cao độ giai đoạn (có cao độ tự nhiên, cao độ thiết kế ) Các tài liệu khí tượng (mưa, gió, nhiệt độ, độ ẩm); thuỷ văn (sơng ngịi, ao hồ: F, H, Q, Z ) Các quy trình, quy phạm, dẫn, tiêu chuẩn, định mức, đơn giá Nhà nước ban hành Nguyên tắc vạch tuyến nước mưa - Nguyên tắc tự chảy Dựa theo địa hình; TH cần thiết xd trạm bơm Chiều dài tuyến ngắn mà phục vụ diện tích lớn Giảm thiểu cơng trình giao tiếp (với đường xá, sông hồ, CT ngầm ) Đảm bảo khoảng cách tới cơng trình khác theo quy định Chiều sâu chôn cống xđ tương tự cống TNSH Tính tốn cống nước mưa a Tính tốn lưu lượng - Khi coi hệ số dịng chảy thay đổi ( = (q, t): Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-9 Q ψQ b 0, ψ.q.F Z.q t ,1 q.F Z.A1, F , l/s t 1, n 0,1 - Khi coi hệ số dịng chảy khơng thay đổi ( =const): Q ψ.Q b ψ A F l / s tn Nếu kể đến phân bố mưa không giảm lưu lượng tự điều chỉnh cống: Q μ.ψ.q.F.K e μ.ψ A F.K e , l / s tn - Hệ số phân bố (không đều) mưa rào μ 1 0,001.F / - Hệ số dịng chảy (bảng), có nhiều loại lấy bình quân gia quyền F - Diện tích lưu vực; t - Thời gian mưa tính tốn; phút A - Thơng số khí hậu Ke - Hệ số giảm lưu lượng Z - Hệ số mặt phủ trung bình lưu vực nước Nhắc lại công thức quan trọng: A = 20nq20(1+ClgP) (Liên Xô) A = (20+b)nq20(1+ClgP) (Cục TV) A = 35nq35(1+ClgP) (T.H Uyển) Lc L t t 1,25 r r vr vc t 1,5.n 0, L0, Z 0,3 i 0,3 I 0,3 ***** (5) b Các cơng thức tính tốn thuỷ lực Cũng sử dụng công thức tương tự cơng thức tính cho HTTN SH c Xác định thông số cống Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-10 Phối hợp tính thủy lực, thuỷ văn để tính Đối với đoạn cống đó: Có F, Lc; Các đoạn cống trước tính tốn xong Tìm Q, d, v, i, t Giải theo bước: 1) Giả thiết vc 2) Tính thời gian mưa t 3) Tính Q theo cơng thức tính cường độ mưa (nêu trên) 4) Giả thiết d, i 4) Tính thuỷ lực tìm vc', Q'… cho thoả mãn yêu cầu quy định 5) Có vc' tính lại thời gian mưa t' 6) Nếu vc' vc, lấy vc:=vc' 7) Tính lại t, Q, lặp lại từ bước t' t, vc' vc Cơng cụ tính tốn dùng: tính thử dần trực tiếp từ cơng thức, bảng tra có sẵn, đồ thị lập sẵn, lập trình máy tính Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-11 Begin vc:=vc0 Lc vc tc : r t:= tđoạn trước + tc A F tn Q: ψ Chọn d, i vc:=vc' Tính th/lực được: vc' Chọn lại d, i d, i, vc đạt y/c + t c ': r Lc vc ' vc' vc + End Sơ đồ trình tự tính tốn thuỷ lực đoạn cống thoát nước mưa Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-12 Các tiêu kỹ thuật cần lưu ý thiết kế HTTNM tự chảy (xem giáo trình) - Quy định chiều sâu, độ cao an toàn, tốc độ nước chảy nhỏ kênh chảy khu vực dân cư: hmin=1,0 m a=0,20 0,4m vmin=0,6 0,8 m/s (khi P 0,5 cho phép giảm tới vmin=0,6 m/s) - Quy định độ dốc tối thiểu cống kênh mương - Quy định kích thước tối cống kênh mương Cống nước mưa có áp Trong số trường hợp, muốn giảm kích thước cống mà không cần tăng độ dốc để tránh chôn sâu cống cho cống làm việc có áp Q ca Q ka C R.J C R.i (H h ) / l h/l H/l h/l I max i H h Qca - LL chảy có áp Qka - LL chảy không áp H - Độ sâu chơn cống tính từ mặt đất đến đỉnh cống h - Hiệu số độ cao đỉnh cống đầu cuối đoạn cống Imax - Độ dốc áp lực lớn (Imax=H/l) i - Độ dốc đáy cống (độ dốc khơng áp) Khi chảy có áp, tính lưu lượng đơn vị theo CT: q0 q.K ap 3/ K ap a 1,5.a a 1 n Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-13 a I max i H h q0 - Lưu lượng đơn vị q- Cường độ mưa (theo CT g/thiệu: LX, Viện KTTV, T.H Uyển) Kap - Hệ số áp lực n - hệ số mũ (trong CT tính cường độ mưa) Đối với đoạn ngắn độ dốc nhỏ cho cống làm việc có áp khả chuyển tải cống tăng đáng kể so với cống không áp ***** (6) Ví dụ Tính tốn cống nước mưa cho thị trấn Đô Lương với số liệu sau: Bản đồ quy hoạch thị trấn (hình vẽ); Mực nước sơng cao nhất: 96,0 m; Diện tích loại mặt phủ: mái nhà 30%; asphan 38%; đá dăm 12%; lát cỏ 20% Giải: Tra bảng 5.2, với khu vực Đô Lương, có: q20 = 303,9; C=0,2431; b= 2,61; n=0,6666 Cường độ mưa q với chu kỳ tràn cống P xác định theo công thức: q (20 b) n q 20 (1 C lg P) ( t b) n (20 2,61) 0, 6666 303,9(1 0,2431 lg P) ( t 2,61) 0, 6666 Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-14 Với P=1: 2428,2 ( t 2,61) 0, 6666 q Với P 1: 2428,2(1 0,2431 lg P) ( t 2,61) 0, 6666 q Diện tích dịng chảy phân chia sau: Bảng thống kê diện tích tiểu lưu vực Kí hiệu diện tích 28a 28b 29a 29b 29c 30a 30b 30c 31a Diện tích (ha) 3,10 0,90 3,10 1,15 1,15 0,90 2,50 0,90 1,15 Kí hiệu diện tích 31b 31c 32a 32b 32c 33a 33b 33c Cộng: Diện tích (ha) 3,40 1,15 0,90 1,90 0,90 1,15 2,40 1,15 27,80 Bảng thống kê diện tích lưu vực tuyến cống 1-2-3-4-CX Kí hiệu đoạn cống 1-2 2-3 3-4 4-CX Bản thân Chuyển qua Kí hiệu diện tích thân 29b 31b 30c, 32a Tổng cộng Kí hiệu diện tích chuyển qua Giá trị P (năm) 1 1,15 3,40 1,80 - 2,30 12,70 27,80 1,15 5,70 14,50 27,80 6-7 7-4 3,10 2,50 3,10 8,00 6,20 10,50 28a 30b 29a 29a, 28, 30a 1 9-4 1,90 0,90 2,80 32b 32c 29c, 31a 29b, 29c, 31, 33 29, 31, 33, 32, 28, 30 Căn q20=303,9 l/s độ dốc mặt đất trung bình theo chiều dịng chảy với dịng sơng imin > 0,006, tra bảng PLIII.1, giá trị P cho đoạn cống Hệ số dòng chảy xác định theo công thức: a1 tb a 2 a n a1 a a n n Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-15 tb 30 0,95 38 0,95 12 0,3 20 0,1 0,7 100 Thời gian nước mưa tập trung mặt phủ lấy phút Khi tr+tc=0 (nước mưa bắt đầu chảy xuống rãnh), lưu lượng đơn vị dòng chảy: Q A.F t r t c b) n 0,7 2428,2 1,15 (8 0 2,61) 0, 6666 tb (t 405 l / s Căn vào độ dốc dọc đường, lấy độ dốc rãnh 0,004, chiều dài rãnh 50 m (giếng thu đặt cách đường phân chia dòng chảy 50 m) Kiểm tra khả thoát nước rãnh đoạn 0-2 Diện tích phục vụ lấy diện tích 29b, 1,15 Với chiều rộng lòng đường m độ dốc ngang 0,02, dự kiến độ sâu lớp nước rãnh cm (chiều rộng tràn 3,0 m) theo bảng E.N Sopikov lấy hệ số vận tốc A=5,47 hệ số lưu lượng B=0,410 l/s Độ dốc đường phố 0,006; tốc độ chảy rãnh: vr 5,47 0,006 =0,42 m/s; lưu lượng cho qua rãnh là: qr 410 0,006 =32 l/s; hai rãnh 26 2=64 l/s Thời gian nước chảy rãnh: tr 1,25 175 =516 s 0,42 8,60 phút, Lưu lượng nước mưa cuối rãnh: Q tb (t tr A.F tc b) n 0,7 2428,2 1,15 =273 l/s (>64 l/s) (8 8,60 2,61) 0, 6666 Giảm chiều dài rãnh xuống cịn 30m, diện tích phục vụ 0,15 Thời gian nước chảy rãnh lúc này: tr 1,25 30 =89 s 0,42 1,48 ph Dương Thanh Lượng Bài giảng mơn học Thốt nước - Chương 5-16 Lưu lượng cuối rãnh: Q tb (t A.F tr tc b) n 0,7 2428,2 0,15 =48 l/s (